Hochfrequenzabstimmspule mit magnetischem Kern für Rundfunk-Empfänger. Die Entwicklung der Rundfunkübertra gung und die damit verbundene Steigerung der Anzahl der Sender brachte es mit sich, class der Selektivität der Radioempfangsappa- ra.te erhöhte Beachtung zugewendet werden musste. Für die Erzielung einer guten Trenn schärfe ist das Vorhandensein verlustarmer Schwingungskreise die entscheidende Forde rung.
Die Verwendung hochwertiger Litzen- drahtspulen in den modernen Empfangsappa raten wurde erschwert durch die Grösse und die hohen Herstellungskosten, vor allem aber durch die erforderliche Abschirmung der Streufelder, mit der stets eine Erhöhung der Dämpfung parallel ging, wenn man nicht zu übergrossen Dimensionen gelangen wollte. Dieses Dilemma liess eine grundsätzliche Lö sung nicht zu, es blieb für den Techniker nur übrig, entweder grosse und verlustarme oder kleine und verlustreiche Spulen zu ver wenden.
Eine grundsätzliche Lösung schien die Verwendung von magnetischen Kernen, wie sie etwa für die Herstellung von so- genannten Pupinspulen benötigt werden, zu bieten. Aber trotz der vielen Versuche, die unternommen wurden, um die hier gewon nenen Erfahrungen auf das Rundfunkgebiet, das mit Frequenzen arbeitet, die etwa tau sendmal höher sind, zu übertragen, wurden noch keine befriedigenden Resultate erzielt.
Erst durch meine Arbeiten wurden in der letzten Zeit Massekerne hergestellt, die sich für Hochfrequenzzwecke, insbesondere für die Herstellung von Radioeinzelteilen, schon gut eigneten. Der Verwendung derartiger Spulen in Radiogeräten standen aber ihre immer noch beträchtliche räumliche Ausdeh nung, ihre technisch zu schwierige und teuere Herstellung, das hohe Magnetkerngewicht und die immer noch zu hohen Verluste ent gegen.
Die vorliegende Erfindung löst das Pro blem einer in jeder Weise für den Bau von Radiogeräten geeigneten Magnetkernspule für den Rundfunkwellenbereich von 200 bis 600 m und selbstverständlich auch für den Langwellenbereich.
Wie erwähnt, waren die bisher benutzten Magnetkernspulen immer noch von einer nicht unerheblichen Grösse, und zwar wurden Toroidspulen, wie in der Pupinspulentechnik üblich, mit einem Durchmesser von etwa 5 cm und einem Kerngewicht von etwa 60 g verwendet. Diese Spulen schienen das nun mehr erreichte Minimum an möglicher Klein heit von Empfängerspulen darzustellen.
Eine weitere Verkleinerung schien nur auf Kosten einer Erhöhung der Verluste möglich, denn aus den bei Luftspulen gemachten Erfah rungen, sowie aus den Erfahrungen im Transformatorenbau, war es bekannt, dass die Höhe der Verluste mit der Verkleinerung der Spule bezw. des Magnetkernes parallel ging.
Gegenüber dieser herrschenden Anschau ung, die dazu führte, dass längere Zeit nach Schaffung eines geeigneten Magnetstoffes Spulen der gekennzeichneten Dimensionen verwendet wurden, beruht vorliegende Erfin dung auf der grundsätzlich neuen Erkennt nis, dass gerade durch eine Verkleinerung des Magnetkernes und der Spulendimensio- nen die Verluste verkleinert werden können. Auf diese Weise war es möglich, eine Spule zu bauen, die bei Einhaltung des erforder lichen Selbstinduktionswertes und bei sehr kleinen Verlusten viel kleiner ist und ent sprechende geringe Material- und Herstel lungskosten erfordert.
Ein weiterer Vorzug einer solchen verkleinerten Spule besteht darin, dass auch das- Streufeld entsprechend kleiner, ist und die Spule daher nicht abge schirmt zu werden braucht, bezw. ohne Er höhung der Verluste einen sehr kleinen Ab schirmmantel erhalten kann.
Gemäss vorliegender Erfindung besteht die mit einem magnetischen Kern versehene Abstimmspule aus der Kombination eines niedrige Wirbelstrom- und Hysteresisverluste aufweisenden Magnetkernes mit einem ver lustarmen, aber räumlich kleinen und kom pakten Spulenaufbau, indem einerseits der Magnetkern je nach den Wirbelstromver- lusten des Magnetmaterials aus Partikeln von bis zu 0,6.10--4 mm' Grösse besteht, welche mit dünnen Isolierbäutchen versehen und unter einem diese Isolierung nicht zer störenden Druck zu Formlingen verdichtet worden sind, derart,
dass die Permeabilität etwa 5 bis 18 beträgt, und anderseits der Spulenaufbau so gewählt ist, dass der innere Magnetkernquerschnitt etwa 1,5 cm' und die mittlere Windungslänge der Zylinderspule etwa 6 cm nicht übersteigt und die Draht spule bei weitgehender Unterteilung des Kupferquerschnittes durch besonders dazu getroffene Massnahmen kapazitätsarm und durch viel- und englagige Zusammendrän gung so gestaltet ist, dass der mittlere Kraft linienweg des mit Rücksicht auf kleines Streufeld möglichst weitgehend im Magnet kern verlaufenden Flusses höchstens 5 cm lang ist.
Nachstehend seien Angaben über eine zweckmässige Herstellung des Kernmaterials und einen zweckmässigen konstruktiven Auf bau der Spule mitgeteilt.
Der Magnetkern besteht zweckmässig aus reinem Eisen, Carbonyl-Eisen, Silizium- Eisen oder Nickel-Eisenlegierungen in Pul verform und soll geringe Hysterese- und \Wirbelstromverluste bei schwachen Hochfre- quenzfeldern aufweisen. Die Partikelgrösse soll in der Grössenordnung von 0,5.10-7 bis 0,6 .10-4 mm' liegen, und zwar sind kugelförmige Partikel oder solche mit abge rundeten Ecken besonders vorteilhaft.
Diese werden zweckmässig hergestellt mittels me chanischer Zerkleinerung und Abrundung (z. B. in einer Kugelmühle), mittels chemi scher Verfahren (Ausfällung) durch Al-- scheidung aus - der Gasphase (Carbonyl- Eisen) oder durch Reduktion aus den Oxy-. den. Die Partikel werden mit einer Isolier- haut überzogen, welche durch Oxydieren, chemische Behandlung oder durch Über ziehen mit einer lackartigen oder glasartigen Isolationshaut hergestellt wird. Vielfach be sitzen die Partikel bereits eine dünne natür liche Oxydhaut, die ausreichend sein kann.
Die Oxydation erfolgt durch langsames Er hitzen des Pulvers bei Temperaturen von 300 bis 400 C, z. B. in einem Drehrohrofen. Eine andere Methode besteht im Auflösen von ( )len in einem verdunstenden Lösungs mittel und Überziehen der Partikel mit der Lösung und eventuell nachträgliches Ein brennen.
Die Magnetpartikel werden mittels eines isolierenden Bindemittels, welches chemisch neutral gegen die andern Bestandteile des Mischkörperkernes ist, zu einem festen Kör per verbunden. Hierzu werden lackartige Substanzen von hoher Viskosität verwendet, welche durch Verdunsten des Lösungsmittels verfestigt werden (z. B. Lösungen von Nitro zellulose, Kolophonium, Harz und derglei chen) oder Bindemittel, welche warmflüssig sind, wie Paraffin, Ceresin und dergleichen. wobei der Schmelzpunkt 50 bis<B>100'</B> C oder darüber betragen soll.
Die Herstellung des Kernes erfolgt zweck mässig in der Weise, dass das Magnetpulver mit dem isolierenden Bindemittel gemischt und dann in Formen gefüllt wird, in wel chen die Mischung trocknet bezw. abkühlt und so verfestigt wird. Auf diese Weise er hält man einen Kern mit einer Permeabilität von 5 bis 18, wie er sich für die in Rund funkempfängern in Frage kommenden Fre quenzen als am günstigsten erwiesen hat.
Um eine nachträgliche Permeabilitäts- änderung zu vermeiden, ist es zu empfehlen, den so hergestellten Kern einer nachträg lichen Hitzebehandlung zu unterwerfen, z. B. einen mit Hilfe von trocknenden Bindemit ieln hergestellten Kern auf 70 bis<B>80'</B> C zu erwärmen während einer Zeitdauer von 48 Stunden. Es kann auch zweckmässig sein, den Kern leicht zu pressen, jedoch nur so, dass die Isolierhäute der Partikel nicht ver <I>letzt</I> werden und die Permeabilität innerhalb der zulässigen Werte bleibt.
Andere Verfahren, die zu dem gleichen Ziele führen, können natürlich ebenfalls an gewendet werden; z. B. kann man die isolier ten Magnetpartikel in eine der Gestalt des Kernes entsprechende Form schütten, durch Erschütterung verdichten und durch Vergie ssen mit einem dünnflüssigen, verlustarmen Isoliermittel (z. B. Paraffin, Ceresin, Zellu- loselösungen, Kohlenwasserstoffe) zu einem festen Körper vereinigen; auch kann man die Magnetmasse um die mit einer Isolierhülle versehene Drahtspule herum anlagern, z. B. durch Tauchen, Giessen. und dergleichen.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Wick lung in einer als isolierende Schutzhülle aus gebildeten Form anzuordnen und mit der Magnetmasse zu umgiessen. Die isolierende Form bleibt dann nach dem Erstarren bezw. Trocknen der Magnetmasse als Schutzhülle erhalten, so dass das Herausnehmen der Mag netmasse aus der Form, welches Schwierig keiten verursachen kann, vermieden wird. Man kann auch das lose Magnetpulver in einer Form leicht zusammenpressen, so dass es zusammenbackt, und den so verfestigten Kern in eine Isoliermasse tauchen, die nach dem Trocknen oder Härten .einen feuchtig keitsdichten, eng anschliessenden - Überzug und die erforderliche mechanische Festigkeit ergibt.
Die Tatsache, dass eine Spule von so enor mer Kleinheit trotzdem geringe Verluste be sitzt, widerspricht zunächst gänzlich den Er fahrungen der Elektrotechnik. Sowohl beim Bau von Eisenkern-Transformatoren, als auch beim Bau von Luftspulen für Rund funkempfänger gilt, wie erwähnt, herkömm licherweise die Regel, dass eine Spule um so schlechter ist, das heisst um so höhere Ver luste besitzt, je kleiner sie ist.
Der über raschend gute Effekt der erfindungsgemässen Spule kann nur so seine Erklärung finden, dass infolge der schwachen Ströme in Schwin gungskreisen von Rundfunkempfängern und infolge der sehr kleinen Permeabilität ver lustarmer Kernmaterialien die magnetische Be lastung des Kernes so klein ist, dass eine Über belastung desselben und Sättigungserschei nungen selbst bei so extremer Verkleinerung des Kernes nicht auftreten können. Ferner dürfte die Tatsache von Bedeutung sein,
dass bei Verkleinerung des Kernquerschnittes und Anordnung der Wicklung als mehrlagige Spule sowohl der Kupferweg, das heisst die mittlere Länge einer Windung, als auch der Magnetweg, das heisst die mittlere Länge des geschlossenen Magnetflusses, entsprechend kleiner wird. Hierdurch ergibt sich eine Verkleinerung der erforderlichen Kupfer menge (Gesamtdrahtlänge zur Erreichung des erforderlichen Selbstinduktionswertes), so dass die Kupferverluste entsprechend her untergehen.
Offenbar sinken ferner mit der Verkleinerung des Magnetkernes auch die Verluste im Kern selbst.
Es ergibt sich also die überraschende Tat sache, dass bei derartigen Magnetkernspulen im Gegensatz zu Luftspulen nicht ein Kom- promiss zwischen Grösse, Höhe der Verluste und Preis der Spule geschlossen zu werden braucht, sondern dass vielmehr Grösse, Ver lust und Preis gleichzeitig klein gemacht werden können.
Der Erfolg einer beschriebenen Spule mit mehrlagiger Wicklung gegenüber den frü heren Toroidspulen dürfte auch in folgen dem zu finden sein: Toroidspulen wiesen aus wickeltechnischen Gründen einen langen Magnetweg (mittlere Länge des geschlos senen Magnetflusses) auf. Es hat sich aber gezeigt, dass bei Hochfrequenzspulen mit Ei senkern die Länge des Magnetweges bezw. das Verhältnis zwischen Eisenweg und Ei senquerschnitt besonders kritisch ist.
Je län ger der Eisenweg bei gleichem Eisenquer schnitt ist, um so mehr Windungen sind er forderlich, um einen bestimmten Selbstinduk- tionswert zu erhalten. Es steigen also die Kupferverluste, gleichzeitig steigen aber auch die Eisenverluste, welche dem Kern volumen annähernd proportional sind. Lautet bei Starkstromtransformatoren die Forde rung: Möglichst viel Eisen, möglichst wenig Kupfer, so kann man bei Hochfrequenzspu- len beinahe die Bedingung aufstellen: Mög lichst wenig Eisen, möglichst wenig Kupfer.
Der grundsätzliche Unterschied zwischen den Verhältnissen bei Starkstrom und denen bei Hochfrequenzspulen liegt eben darin, dass bei Starkstrom, z. B. bei Transformatoren, die Masse und Querschnitte durch die aufzuneh mende Belastung, die zulässige Erwärmung bei der Maximalbelastung, sowie die Sätti gung bestimmt werden,
bei Abstimmspulen für Empfänger dagegen vornehmlich durch die Hochfrequenzverluste infolge der ausser ordentlichen starken induktiven und kapazi- tiven Nebenwirkungen, während eine Be lastung durch nennenswerte Ströme oder Feldstärken und. Erwärmung ganz ausschal tet.
Es ist daher durch Verwendung geeig neten Magnetmaterials möglich, die infolge des hohen Preises des Magnetstoffes höchst erwünschte Verkleinerung der Spulendimen- sionen immer weiterzutreiben und gleichzei tig statt der zu erwartenden Verschlechte rung eine Verbesserung der elektrischen Ei genschaften der Spule zu erzielen. Die untere Grenze für die Verkleinerung erwies sich als nur durch Herstellungsrücksichten und den erforderlichen Mindestwickelraum gesetzt.
Diese der Erfindung zugrundeliegende Erkenntnis, dass bei geeignetem Magnetmate rial und geeigneter Spulenform durch stän dige Verkleinerung der Magnetweglänge eine Verringerung der Windungszahl und des Wickeldurchmessers und damit die er wünschte Verkleinerung und Verbilligung der Spule mit der ebenfalls verlangten Verbes serung der elektrischen Eigenschaften ver knüpft werden kann, steht im grellen Gegen satz zu der herrschenden Anschauung, wo nach Grösse und Güte der Spule parallel gehen.
Besondere Aufmerksamkeit ist der An ordnung der Wicklung auf dem Kern za schenken. Infolge der Kleinheit der erfin dungsgemässen Spule ergibt sich eine grosse Häufung von Kupfer auf kleinem Raum. Dies bedingt hohe Kupferverluste, hohe Pa rallelkapazitäten und schädliche Nebenwir kungen durch die unmittelbare Nähe des Magnetkernes. Die Anordnung wird daher zweckmässigerweise wie folgt getroffen: Die Wicklung besteht aus Litzendraht besonders feiner Unterteilung, vorzugsweise 10 bis 40 isolierten und verdrillten Adern von 0,04 bis 0,08 mm lÖ, und ist in mehreren Kammern angeordnet. .
Vom Magnetkern ist sie durch eine Isolierschicht von zirka 1 mm Dicke ge trennt, die vorteilhafterweise gleichzeitig als Wicklungsträger ausgebildet und in mehrere Kammern unterteilt ist. Infolge der starken statischen Felder in einer derartig kleinen Spule wirken sich diese Massnahmen weit stärker verlustmindernd aus, als etwa bei Luftspulen die Verwendung von Litzen draht ausmacht. Aus dem gleichen Grunde empfiehlt es sich, den Spulenkörper aus einem besonders verlustarmen Isolierstoff herzustellen, der einen Verlustwinkel von tgd <I>=</I> 0,005 oder darunter besitzen soll.
Be sonders günstig ist Polystyrol, ein spritz- fähiges Kohlenwasserstoffderivat, welches einen Verlustwinkel von tgb <I>=</I> 0,002 besitzt bei einer Dielektrizitätskonstante von 2,5.
Überhaupt sollen aus diesen Gründen vorteilhafterweise alle Konstruktionsteile der Spule, die nicht magnetisch oder elektrisch leitend sind, möglichst geringe Hochfre- quenzverluste und eine kleine Dielektrizitäts- konstante besitzen. Die im Bau von Luft spulen üblichen Hartpapiere erwiesen sich beispielsweise als gänzlich ungeeignet, da sie die Verluste bei Verwendung in Magnetkern spulen in ungeahntem Masse erhöhen.
Der Magnetkern besitzt vorteilhafter- weise eine solche Form, dass er die Spule durchdringt und aussen umschliesst. Die ge eignetste Spulenform ist eine sogenannte Mantelspule, bei welcher die Wicklung auf dem mittleren Schenkel eines dreischenkligen Mantelkernes angeordnet ist oder eine topf artige Spule, bei welcher der Magnetkern die ring- oder zylinderförmige Spule in Form eines Hohlringes oder Hohltoroides um schliesst.
Zweckmässigerw eise wird der Kern in zwei Hälften hergestellt, so dass die Wick lung auf die Kernteile aufgesteckt und der 3lagnetweg dann durch Zusammenfügen der Kernteile geschlossen werden kann. Der zwi schen den Kernteilen verbleibende Luftspalt kann veränderlich gestaltet werden und dient dann zur Einstellung des Selbstinduktions- wertes.
Die Zeichnung zeigt in den Fig. 2 bis 6 einige Ausführungsbeispiele erfindungsgemä sser Spulen, während Fig. 1 eine der üblichen abgeschirmten Luftspulen zeigt.
Die beiden Spulen nach Fig. 1 und 2 sind im gleichen Massstab gezeichnet und be sitzen die gleichen Selbstinduktionswerte (zirka 200 000 cm) und die gleichen logarith mischen Dämpfungsdekremente bei 1000 khz = 0,024). Bei der in Fig. 1 gezeigten Luft spule ist die 'auf dem Spulenkörper 2 lie gende, als einlagige, langgestreckte Spule ausgebildete Wicklung 1 von einem Gehäuse 4 umgeben, das durch den Boden 3 abge schlossen ist.
Dieses Gehäuse, welches in folge der grossen Streufelder der Luftspule unerlässlich ist, wirkt bekanntermassen stark dämpfungserhöhend und vergrössert überdies den Raumbedarf der Spule ausserordentlich.
Bei einer gemäss Fig. 2 ausgeführten Hochfrequenzspule kommt eine Dämpfungs- erhöhung durch Abschirmung nicht in Frage, da die Spule praktisch streufeldfrei ist. Hier ist die Wicklung 1 eingebettet in einen Mag netstoff 5 und von demselben Magnetstoff aussen umschlossen. Die Wicklung sitzt auf dem in zwei Kammern unterteilten Spulen körper z. Beide Spulen (Fig. 1 und 2) sind in natürlicher Grösse gezeichnet.
Der durch die kleine Magnetkernspule selbst gegenüber den früher verwandten Toroidspulen oben gekennzeichneter Grösse erzielte Fortschritt ist ganz unverkennbar. Der Magnetweg (mittlere Länge des geschlossenen Magnet kreises) besitzt eine Länge von etwa 5 cm.
Die Fig. 3 bis 6 zeigen in grösserem Massstabe zwei beispielsweise Ausführungs formen von Spulen gemäss vorliegender Er findung, aus welchen die Konstruktionsein zelheiten näher hervorgehen.
Fig. 3 zeigt einen E-förmigen Magnet kern 1, auf welchem der Spulenkörper 3 aus verlustarmem Material mit der Litzendraht- wicklung 4, welche in mehreren Kammern verteilt ist, sitzt. Nachdem die maschinell gewickelte Spule auf den Kern 1 aufgebracht ist, wird der Magnetkreis durch das Joch .\? geschlossen. Es ergibt sich so ein Magnet kreis, der die Spule durchdringt und aussen umschliesst. Der zwischen den Kernteilen verbleibende Luftspalt 5 kann variabel ge staltet und so zur Einstellung des Selbst induktionswertes verwendet werden.
Fig. 4 zeigt die gleiche Spule im Grund riss, teilweise geschnitten.
Fig. 5 zeigt eine sogenannte Topfspule. Die beiden zylindrischen Magnetkernteile 6 und 7 besitzen an den einander zugewandten Flächen ringförmige Vertiefungen, in denen die auf dem Spulenkörper 8 angeordnete Wicklung 9 untergebracht ist. Der Luft spalt 10 dient auch hier zur Regelung der Selbstinduktion. Fig. 6 zeigt die gleiche Spule im Grund- riss. Spulen, wie die soeben als Ausführungs beispiele der Erfindung beschriebenen, können auf der Grundplatte des Apparates an jeder beliebigen Stelle angebracht und auf das ein fachste befestigt werden.
Es ergibt sich also durch Verwendung dieser Spulen eine ausser ordentliche Vereinfachung und Verbilligung im Aufbau der Radioapparate bei erhöhter Selektivität und Resonanzspannung. Ab stimmspulen der beschriebenen Art können unter Einhaltung kleinster Dimensionen ge baut werden, so dass zum Beispiel das Ge wicht des Magnetkernes nur etwa 15 g be trägt und die Drahtspule einen Durchmesser von weniger als 20 mm und eine Quer schnittsfläche von höchstens 0,5 cm' besitzt.